(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に形成された混合気を点火燃焼させる点火装置と、吸気行程に加えて膨張行程で開弁可能であると共に、前記膨張行程での開弁リフト量を変更可能な手段を具備する吸気弁と、燃焼時の消炎距離を推定する消炎距離推定手段と、を備え、
前記吸気弁の膨張行程での開弁リフト量を、前記消炎距離推定手段で推定した消炎距離と等しく設定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記燃焼時の消炎距離を、排ガス温度と吸気温度に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記燃焼時の消炎距離を、前記内燃機関の冷却水温度に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記推定した消炎距離が所定値以下のときは、前記吸気弁の膨張行程での開弁を禁止することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記吸気弁に前記膨張行程での開弁期間を変更可能な手段を具備すると共に、前記燃焼室内に、前記混合気の燃焼時のイオン電流を検出するイオン電流検出手段を備え、
前記イオン電流検出手段で検出されたイオン電流値が所定値以下となったときを、前記吸気弁の膨張行程での開弁開始時期と定めることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記燃焼室内の圧力と吸気ポート内の圧力を検出する手段を備え、
前記燃焼室内と前記吸気ポート内の圧力差をΔＰｔとしたとき、前記圧力差ΔＰｔが所定値よりも大きい場合は、前記圧力差ΔＰｔが所定値となるまで、前記吸気弁の膨張行程での開弁開始時期を遅角させることを特徴とする請求項５に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記吸気弁の膨張行程での開弁開始時期における前記燃焼室内と前記吸気ポート内の圧力差に応じて、前記吸気弁の膨張行程での開弁期間を定めることを特徴とする請求項６に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記吸気弁の膨張行程での開弁期間に前記燃焼室内から前記吸気ポートへ戻った未燃燃料量を推定する手段を備え、
前記推定した未燃燃料量に応じて、次の機関サイクルにおける燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項６または７に記載の火花点火式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、火花点火式内燃機関の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式内燃機関では、燃焼室内に形成された混合気は点火プラグなどの点火源によって点火され、生じた火炎は、点火源から燃焼室内壁面へ向けて火炎伝播しながら燃焼が進行する。ところが火炎が燃焼室内壁面に近づくと、火炎は燃焼室内壁面に熱を奪われて燃焼反応が阻害されるため、燃焼室内壁面に到達する前に必ずある距離を残して消炎する。このある距離は消炎距離と呼ばれ、消炎距離内の混合気に含まれる燃料は、未燃燃料として残る。このような未燃燃料は一般的に、排気行程で燃焼室内から排気ポートへと排出され、排気ポート下流に設けられた排ガス浄化触媒で浄化されて大気中に排出される。
【０００３】
ところで、内燃機関の始動時においては、内燃機関の暖機が不十分で燃焼室内壁面の温度が低いことから、火炎は燃焼室内壁面に多くの熱を奪われやすく、消炎距離は大きくなり、未燃燃料の発生量が多い。また、排ガス浄化触媒は十分に暖まっておらず活性温度に達していないため、未燃燃料を浄化する能力が低い。その結果、内燃機関の始動時においては、排気ポートへ排出される未燃燃料が多い上に、排ガス浄化触媒で未燃燃料を十分に浄化することができないため、大気中へ多くの未燃燃料が排出されて排ガス性状が悪化する問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、例えば特開２００３−２３９７７５号公報（特許文献１）に開示された内燃機関では、膨張行程において燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻し、吸気系へ戻された燃料を含む既燃ガスを次の機関サイクルで吸気と共に気筒内に再供給し、圧縮行程末期の燃焼時において燃焼することにより未燃燃料の排出を抑制することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３９７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら内燃機関の始動時は、吸気通路や燃焼室内壁面の温度が低く燃料の蒸発が遅いために、混合気形成が不良となって燃焼が不安定になりやすい。このような内燃機関の始動時において、特許文献１に開示された技術のように、膨張行程において未燃燃料と共に既燃ガスが吸気系へ戻ってしまうと、次の機関サイクルで未燃燃料と共に不活性の既燃ガスが燃焼室内に再供給されることになり、燃焼が一層不安定となり燃焼不良によって燃焼変動や排ガス性状が悪化する。また、吸気系に戻った既燃ガス量が多い場合には、点火不良や失火に至り未燃燃料の排出がかえって悪化することが懸念される。
【０００７】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、膨張行程での吸気弁の開弁時に既燃ガスが吸気系へ戻ることを極力抑制すると共に、多くの未燃燃料が吸気系へ戻るようにすることで、内燃機関の始動時における燃焼を悪化させることなく、未燃燃料の排出を効果的に抑制して、排ガス性状を改善することを可能とする火花点火式内燃機関の制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の火花点火式内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼室内に形成された混合気を点火燃焼させる点火装置と、吸気行程に加えて膨張行程で開弁可能であると共に、前記膨張行程での開弁リフト量を変更可能な手段を具備する吸気弁と、燃焼時の消炎距離を推定する消炎距離推定手段と、を備え、前記吸気弁の膨張行程での開弁リフト量を、前記消炎距離推定手段で推定した消炎距離と等しく設定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る火花点火式内燃機関の制御装置によれば、膨張行程での吸気弁の開弁リフト量が消炎距離と一致しているため、吸気弁を流れるガスは消炎距離内の未燃燃料のみとなり既燃ガスは含まれない上に、吸気弁の開弁リフト量が消炎距離より小さい場合に比べて効率的に未燃燃料を吸気ポートへ戻すことができる。その結果、次の機関サイクルにおいて燃焼室内に既燃ガスが再供給されることを抑制することができ、内燃機関の始動時においても燃焼を悪化させることがない。また吸気ポートへ戻された未燃燃料は次の機関サイクルで燃焼室内へ再供給されて燃焼に用いられるため、未燃燃料の排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置の概要を示すシステム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る消炎距離と吸気弁の開弁リフト量の関係を示すイメージ図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る未燃燃料の戻り量マップのイメージ図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る膨張行程での吸気弁開弁期間を演算する制御ルーチンを示す図である。
【図６】図５の制御ルーチンの動作例を示すタイミングチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の制御装置の概要を示すシステム構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態２に係る冷却水温度と消炎距離の関係を示すマップのイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明に係る火花点火式内燃機関の制御装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図1は、この発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置の概要を示すシステム構成図である。なお、実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置は、多気筒の内燃機関を想定しているが、図１には多気筒のうちの１つの気筒を代表として図示している。
【００１３】
図１において、内燃機関１は円筒形のシリンダ２とピストン３を備えている。シリンダ２にはピストン３がシリンダ２の内部を往復運動可能に嵌合されている。シリンダ２の上には、所謂ペントルーフ型のシリンダヘッド４が固定されており、ピストン３の頂面とシリンダヘッド４の下面の間に燃焼室５が形成されている。
【００１４】
ピストン３の下方にはクランク軸６が配置され、クランク軸６とピストン３を連結するコネクティングロッド７を介してピストン３の往復運動が回転運動に変換される。クランク軸６の外周には内燃機関１の回転数を検出するクランク角センサ８が設けられ、クランク角センサ８の出力は制御装置８０へと送信される。また内燃機関１には、内燃機関１の冷却水温度を検出する水温センサ（図示せず）が取り付けられており、水温センサの出力は制御装置８０へ送信される。
【００１５】
シリンダヘッド４の中央部には燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁９が配置され、更に混合気に点火する点火プラグ１０が燃料噴射弁９の近傍に配置されている。ここで、燃料噴射弁９と点火プラグ１０は、制御装置８０から発信される駆動信号に応じて駆動される。またイオン電流センサ（図示せず）が、点火プラグ１０と一体的に構成されて設けられている。イオン電流センサでは、混合気の燃焼時に発生するイオン電流が検出され、検出されたイオン電流は電圧信号に変換されて制御装置８０へ送信される。さらにシリンダヘッド４には、燃焼室５内の圧力を検出する筒内圧センサ１１が設けられており、筒内圧センサ１１の出力は制御装置８０へ送信される。
【００１６】
シリンダヘッド４には２つの吸気ポート１２（図１には１つのみ表示）が設けてあり、吸気ポート１２は吸気弁１３を介して燃焼室５内に通じている。吸気ポート１２の上流部にはスロットル弁１４が配置され、スロットル弁１４はスロットルアクチュエータ１５により駆動される。このスロットルアクチュエータ１５はアクセルペダル１６の踏込度合を検出するアクセルポジションセンサ１７の出力に応じて駆動される。具体的には、アクセルポジションセンサ１７の出力は制御装置８０に送信され、制御装置８０はこのアクセルポジションセンサ１７の出力値に基づきスロットル駆動信号を生成してスロットルアクチュエータ１５へ送信する。スロットルアクチュエータ１５は、このスロットル駆動信号に応じてスロットル弁１４の開度を制御し、燃焼室５内への吸入空気量を調整する。
【００１７】
吸気ポート１２には吸気ポート１２内の圧力を検出する吸気圧センサ（図示せず）、および吸気温度を検出する吸気温度センサ（図示せず）が設けられており、各センサの出力は制御装置８０へ送信される。吸気弁１３は電磁アクチュエータ１８と組み合わされており、電磁アクチュエータ１８への通電の有無と通電時の電流値の大きさによって、それぞれ吸気弁１３の開弁期間とリフト量を自由に制御できる。電磁アクチュエータ１８への通電期間や電流値は、電磁アクチュエータコントローラ１９によって制御される。吸気行程での吸気弁１３の開閉には吸気弁カム（図示せず）を用い、膨張行程での吸気弁１３の開閉には電磁アクチュエータ１８が用いられる。
【００１８】
シリンダヘッド４には２つの排気ポート２０（図１には１つのみ表示）が設けてあり、排気ポート２０は排気弁２１を介して燃焼室５内に通じている。排気ポート２０には、排気ポート２０を通過する排気ガスの温度を検出する排ガス温度センサ２２が設けられており、排ガス温度センサ２２の出力は制御装置８０へ送信される。排気ポート２０の下流部には排気ガスを浄化する排ガス浄化触媒２３が設けられている。
【００１９】
制御装置８０は、演算処理をするＣＰＵ（図示せず）と、プログラムデータや固定値データを記録するメモリを有するマイクロコンピュータ（図示せず）と、各種信号の入出力を行うＩ／Ｏインターフェース（図示せず）とで構成されている。更に、制御装置８０には、消炎距離推定手段８１と、吸気弁開弁期間演算手段８２が設けられている。消炎距離推定手段８１と吸気弁開弁期間演算手段８２では、それぞれ前述の各センサの出力に基づいて膨張行程での吸気弁１３のリフト量と開弁期間が定められ、電磁アクチュエータコントローラ１９へ吸気弁駆動信号が発信される。電磁アクチュエータコントローラ１９は、この吸気弁駆動信号に応じて吸気弁１３の開弁期間とリフト量を制御する。
【００２０】
実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置は前記のように構成されており、次にその動作について説明する。図２は実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。
図２において、制御ルーチンのステップＳ１０１〜Ｓ１０５は、図１に示す制御装置８０において、所定のクランク角（例えば吸気上死点）で実行される。所定のクランク角となり、図２に示す制御ルーチンが開始されると、まずステップＳ１０１では、内燃機関１の回転数、アクセルポジション、冷却水温度が、それぞれクランク角センサ８、アクセルポジションセンサ１７、水温センサから読み込まれ、読み込まれた内燃機関１の回転数、アクセルポジション、冷却水温度に基づいて燃料噴射量Ｑｆが演算される。
【００２１】
ここで燃料噴射量Ｑｆは、まず内燃機関１の回転数とアクセルポジション（要求出力）に応じて予め設定された燃料噴射量マップに基づき基準燃料噴射量Ｑａが定められ、この基準燃料噴射量Ｑａに冷却水温度に基づく補正係数Ｃｆを乗じることで求められる。次式（１）に燃料噴射量Ｑｆの演算式を示す。冷却水温度が低い場合は、吸気通路や燃焼室内の壁面温度が低い状態であり、噴射した燃料の蒸発が遅いことから、一般的に補正係数Ｃｆは冷却水温度が低いほど大きな値となるように設定される。
Ｑｆ＝Ｑａ×Ｃｆ                ・・・・・式（１）
【００２２】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で求めた燃料噴射量Ｑｆを、前の機関サイクルの膨張行程において吸気弁１３を開弁した際に燃焼室５内から吸気ポート１２へ戻った未燃燃料の戻り量Ｑｂに応じて補正する。なお、戻り量Ｑｂの詳細は後述する。前の機関サイクルで燃焼室５内から吸気ポート１２へ戻った未燃燃料は、次の機関サイクルで燃焼室５内へ再供給されて燃焼に用いられるため、ステップＳ１０１で求めた燃料噴射量Ｑｆをそのまま噴射すると燃料が余分に噴射されることになる。逆に未燃燃料の戻り量Ｑｂに応じて燃料噴射量を減らすことで、内燃機関１の燃料消費率（燃費）を改善することが可能となる。次式（２）に補正燃料噴射量Ｑｈの演算式を示す。
Ｑｈ＝Ｑｆ−Ｑｂ                ・・・・・式（２）
【００２３】
ステップＳ１０３では、補正燃料噴射量Ｑｈと燃料噴射弁９の燃料流量特性から噴射期間が求められ、燃料噴射弁駆動信号が制御装置８０から燃料噴射弁９へ発信される。
【００２４】
次に、ステップＳ１０４では、排ガス温度Ｔｅｘと吸気温度Ｔｉｎが、それぞれ排ガス温度センサ２２と吸気温度センサから読み込まれ、読み込まれた排ガス温度Ｔｅｘ、吸気温度Ｔｉｎに基づいて消炎距離Ｄが推定される。消炎距離Ｄの大きさは、燃焼室５内の壁面温度に強く依存することが知られているが、燃焼室５内の壁面温度は燃焼条件によっては非常に高温となることに加え、容積変化する燃焼室５内に温度センサを配置しなければならないことから、一般的に燃焼室５内の壁面温度を直接検出することは困難である。
【００２５】
そこで実施の形態１では、容易に検出が可能な排ガス温度Ｔｅｘ、吸気温度Ｔｉｎに基づき消炎距離Ｄを推測する。具体的には、噴射した燃料が完全燃焼すると仮定したときの排ガス温度予測値Ｔｃを次式（３）より求め、次式（４）に示すように、排ガス温度予測値Ｔｃと検出された実際の排ガス温度Ｔｅｘとの温度差ΔＴを求める。温度差ΔＴが大きいほど未燃燃料が多い、つまり消炎距離Ｄが大きい関係にあり、消炎距離Ｄは次式（５）より求められる。ここで次式（３）において、Ｋは燃空比、Ｈは燃料の単位質量あたりの発熱量、Ｃｐは空気の比熱を示す。また次式（５）のＣｔは、燃焼室５の形状（表面積）に応じて予め設定された重み付け係数である。
Ｔｃ＝Ｔｉｎ＋Ｋ×Ｈ／Ｃｐ      ・・・・・式（３）
ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔｅｘ              ・・・・・式（４）
Ｄ＝Ｃｔ×ΔＴ                  ・・・・・式（５）
【００２６】
次に、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で求めた消炎距離Ｄが所定値Ｄ０より大きいか否かを判定する。内燃機関１が暖機されて燃焼室５内の壁面温度が上昇してくると、燃焼室５内の消炎距離Ｄ（未燃燃料）は大きく減少する。一方で、排気ポート２０の下流に設けられた排ガス浄化触媒２３も温度が高まり、未燃燃料の浄化能力が向上するため、膨張行程で吸気弁１３を開弁して未燃燃料を吸気ポート１２へ戻さなくても、未燃燃料を直接排ガス浄化触媒２３で浄化できるようになる。
【００２７】
このような内燃機関１の暖機状態では、膨張行程で吸気弁１３を開弁して未燃燃料を吸気ポート１２へ戻すことによる前述の燃費改善効果は非常に小さいのに対して、膨張行程で吸気弁１３を駆動することによるエネルギーロスのデメリットの方が大きくなる。そこで、消炎距離Ｄが所定値Ｄ０以下となった場合は、膨張行程での吸気弁１３の開弁を禁止するように制御する。なお、所定値Ｄ０は、例えば膨張行程での吸気弁１３の制御を適用しない状態において、内燃機関１の始動後、大気中に排出される未燃燃料の濃度が十分に小さくなったときの消炎距離と定めることができる。
【００２８】
ステップＳ１０５で消炎距離Ｄが所定値Ｄ０より大きい、つまり膨張行程で吸気弁１３を開弁する必要があると判定された場合はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では後述するように、膨張行程での吸気弁１３の開弁期間が演算される。ステップＳ１０６〜Ｓ１０８は、混合気が燃焼している所定の期間（例えば膨張行程）で実行される。
【００２９】
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で演算された膨張行程での吸気弁１３の開弁期間と、ステップＳ１０４で推定された消炎距離Ｄに応じて定めた開弁リフト量を基に、吸気弁駆動信号が生成され、この駆動信号が電磁アクチュエータコントローラ１９へ発信される。
【００３０】
図３は、実施の形態１における消炎距離Ｄと吸気弁１３の開弁リフト量の関係を示すイメージ図である。実施の形態１では、図３（ａ）に示すように、吸気弁１３の開弁リフト量Ｌを消炎距離Ｄと等しく設定する。そうすることで、吸気弁１３を流れるガスは消炎距離Ｄ内の未燃燃料３０のみとなり、既燃ガス３１は含まれない上に、図３（ｂ）に示す吸気弁１３の開弁リフト量Ｌが消炎距離Ｄより小さい場合に比べて、効率的に未燃燃料３０を吸気ポート１２へ戻すことができる。図３（ｃ）は吸気弁１３の開弁リフト量Ｌが消炎距離Ｄより大きい場合であるが、この場合は吸気弁１３には未燃燃料３０と共に既燃ガス３１が流れこんでしまう。
【００３１】
ステップＳ１０８では、膨張行程で吸気弁１３を開弁したときに燃焼室５内から吸気ポート１２へ戻る未燃燃料量を推定し、この未燃燃料の戻り量Ｑｂをメモリに記憶する。記憶された未燃燃料の戻り量Ｑｂは、次の機関サイクルにおける制御ルーチンのステップＳ１０２で読み込まれ、前述したように燃料噴射量Ｑｆの補正に用いられる。ここで、未燃燃料の戻り量Ｑｂは、膨張行程で吸気弁１３を開弁したときの燃焼室５内と吸気ポート１２内の圧力差ΔＰと、ステップＳ１０４で求めた消炎距離Ｄに基づき推定される。これは前記圧力差ΔＰが大きいと、燃焼室５内から吸気ポート１２へ勢い良くガスが押し出されるために、吸気弁１３の周囲における広範囲の未燃燃料が吸気ポート１２へ戻るためである。また消炎距離Ｄが大きければ、仮に前記圧力差ΔＰが同じ条件であっても、吸気ポート１２へは多くの未燃燃料が戻るためである。
【００３２】
具体的には、ステップＳ１０６で演算された膨張行程での吸気弁１３の開弁開始時期における燃焼室５内の圧力Ｐｃと吸気ポート１２内の圧力Ｐｉｎが、それぞれ筒内圧センサ１１と吸気圧センサから読み込まれ、前記圧力ＰｃとＰｉｎの圧力差ΔＰが次式（６）より求められる。またステップＳ１０４で求めた消炎距離Ｄが読み込まれる。そして前記圧力差ΔＰと消炎距離Ｄに応じて予め設定された未燃燃料の戻り量Ｑｂマップより、未燃燃
料の戻り量Ｑｂが求められる。
【００３３】
図４に、実施の形態１における圧力差ΔＰと消炎距離Ｄに応じた未燃燃料の戻り量Ｑｂマップのイメージ図を示す。図４において、横軸は圧力差ΔＰ、縦軸は消炎距離Ｄを示している。図４に示すように、圧力差ΔＰと消炎距離Ｄに対して、例えば未燃燃料の戻り量Ｑｂを「Ｘ」〜「Ｚ」の３つの領域に分割した場合、未燃燃料の戻り量ＱｂはＸ＜Ｙ＜Ｚの関係となる。
ΔＰ＝Ｐｃ−Ｐｉｎ                ・・・・・式（６）
【００３４】
ステップＳ１０５で消炎距離Ｄが所定値Ｄ０以下である場合は、制御ルーチンから抜け出し、膨張行程での吸気弁１３の開弁は実行されない。
【００３５】
図５は、図２のステップＳ１０６で説明した膨張行程での吸気弁開弁期間を演算する制御ルーチンを示す図である。
図５において、所定の期間（例えば膨張行程）となり制御ルーチンが開始されると、まずステップＳ２０１では、イオン電流センサで検出される燃焼室５内のイオン電流値Ｉが所定値Ｉ０以下であるか否かを判定する。イオン電流は混合気の燃焼に伴って発生するため、混合気中を伝播した火炎が燃焼室内壁面に近づいて消炎するとイオン電流値Ｉは急激に減少するが、その後も燃焼室内の局所的な燃焼によって微小なイオン電流値が検出される。前記所定値Ｉ０は、この微小なイオン電流値に相当する値が定められており、実施の形態１においては、イオン電流値Ｉが所定値Ｉ０以下になった瞬間が燃焼室内の壁面近傍において火炎が消炎した時期とみなされる。
【００３６】
ステップＳ２０１において、イオン電流値Ｉが所定値Ｉ０以下と判定された場合は、ステップＳ２０２に進む。一方、ステップＳ２０１において、イオン電流値Ｉが所定値Ｉ０より大きいと判定された場合は、所定の期間中（例えば膨張行程）においてステップＳ２０１を繰り返し実行する。
【００３７】
ステップＳ２０２では、ステップＳ２０２が実行されるタイミングにおける燃焼室５内の圧力Ｐｃと吸気ポート１２内の圧力Ｐｉｎが、それぞれ筒内圧センサ１１と吸気圧センサから読み込まれ、次式（７）によって前記圧力ＰｃとＰｉｎの圧力差ΔＰｔが演算される。
ΔＰｔ＝Ｐｃ−Ｐｉｎ                ・・・・式（７）
【００３８】
次にステップＳ２０３では、圧力差ΔＰｔが所定値ΔＰ０以下であるか否かが判定される。前述のように、膨張行程で吸気弁１３を開弁した時に吸気ポート１２へ戻る未燃燃料は、燃焼室５内と吸気ポート１２の圧力差が大きいと多くなるが、吸気ポート１２へ戻る未燃燃料量は、前記圧力差がある程度まで大きくなるとほぼ変わらなくなる。これは膨張行程で吸気弁１３を開弁することで、吸気弁１３の周囲の未燃燃料を吸気ポート１２へ戻すことができるが、燃焼室５内の空間的な制約によって戻すことができる未燃燃料には限度があるためである。
【００３９】
一方で膨張行程において吸気弁１３を駆動するのに要するエネルギーは、燃焼室５内の圧力が大きいほど大きくなる。したがって前記圧力差ΔＰｔがある値以上においては、吸気ポート１２へ戻る未燃燃料量が変化しなくなるのに対して、吸気弁１３の駆動によるエネルギーロスばかり大きくなる。そこで吸気ポート１２へ戻る未燃燃料が変化しなくなり始めるときの燃焼室５内と吸気ポート１２内の圧力差をΔＰ０と定め、圧力差ΔＰｔがΔＰ０よりも大きいときは、ΔＰｔがΔＰ０となるまで吸気弁１３の開弁を遅らせることにより、吸気弁１３の駆動によるエネルギーロスを抑制する。
【００４０】
ステップＳ２０３において、圧力差ΔＰｔが所定値ΔＰ０以下と判定された場合は、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０３において、圧力差ΔＰｔが所定値ΔＰ０より大きいと判定された場合は、所定の期間中（例えば膨張行程）においてステップＳ２０２とＳ２０３を繰り返し実行する。
【００４１】
ステップＳ２０４では、圧力差ΔＰｔに基づいて吸気弁１３の開弁期間Ｖｔが定められる。膨張行程で吸気弁１３を開弁すると吸気弁１３の周囲の未燃燃料が吸気ポート１２へ戻るが、吸気弁１３の周囲の未燃燃料が戻った後も吸気弁１３を開弁していると、続けて既燃ガスが吸気ポート１２へ戻ることになる。そこで未燃燃料が吸気ポート１２に戻った後、可能な限り早く吸気弁１３を閉弁する。これにより既燃ガスが吸気ポート１２へ戻ることを抑制する。吸気弁１３の周囲の未燃燃料が吸気ポート１２へ戻るのに要する時間Ｔは、燃焼室５内と吸気ポート１２内の圧力差ΔＰｔ、および吸気弁１３の開弁リフト量Ｌ（前述のように消炎距離Ｄに等しい）に関連する。前記時間Ｔを吸気弁１３の開弁期間Ｔｖとすると、開弁期間Ｔｖは次式（８）より求められる。ここで式（８）のＣｖは、吸気弁１３の形状などに応じて予め設定された重み付け係数である。
Ｔｖ＝Ｃｖ／（ΔＰｔ×Ｄ）        ・・・・・式（８）
【００４２】
図６は、図５で説明した制御ルーチンの動作例を示すタイミングチャートである。図６の（ａ）は、内燃機関１の温度が低く比較的燃焼が緩慢な状態での動作例であり、図６の（ｂ）は、内燃機関１の温度が高く比較的燃焼が速い状態での動作例である。
図６の（ａ）では、イオン電流Ｉが所定値Ｉ０以下の条件を満たしたクランク角度ＣＡ１において、圧力差ΔＰｔは所定値ΔＰ０以下の条件も満足しているため、吸気弁１３の開弁時期はクランク角度ＣＡ１に設定される。一方で図６の（ｂ）では、イオン電流Ｉが所定値Ｉ０以下の条件を満たしたクランク角度ＣＡ２において、圧力差ΔＰｔは所定値ΔＰ０よりも大きいため、吸気弁１３の開弁時期は圧力差ΔＰｔが所定値ΔＰ０となるクランク角度ＣＡ３まで遅角される。
【００４３】
以上詳述したように、実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の制御装置によれば、吸気弁１３を制御する結果、膨張行程での吸気弁１３の開弁時に既燃ガスが吸気ポート１２へ戻ることを防止できると共に、多くの未燃燃料を吸気ポート１２へ戻すことができる。その結果、次の機関サイクルにおいて燃焼室５内に既燃ガスが再供給されないため、内燃機関１の始動時において燃焼を悪化させることはなく、また燃焼室５内に再供給された未燃燃料はその機関サイクルにおける燃焼で消費されるため、未燃燃料の排出を抑制することができる。
【００４４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の制御装置ついて説明する。図７は、実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の制御装置の概要を示すシステムの構成図である。図７に示すように、実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の制御装置では、排気ポート２０に排ガス温度を検出する排ガス温度センサが設けられていない。この点が実施の形態１と異なっており、その他の構成は実施の形態１と同様のため重複説明を省略する。
【００４５】
図８は、実施の形態２に係る火花点火内燃機関の制御装置の動作を示すフローチャートである。図８に示す制御ルーチンは、図２に示した制御ルーチンとほぼ同様であり、ステップＳ３０４において消炎距離Ｄを推定する手段のみが図２と異なる。以下、消炎距離Ｄを推定する手段について説明する。
【００４６】
実施の形態２においては、冷却水温度が水温センサから読み込まれ、読み込まれた冷却水温度に基づいて消炎距離Ｄが推定される。前述したように、消炎距離Ｄの大きさは燃焼
室５内の壁面温度に強く依存することが知られている。ここで燃焼室５内の壁面温度は冷却水温度と相関を有することから、冷却水温度に基づいて消炎距離Ｄを推定することが可能である。例えばシミュレーションなどで冷却水温度と消炎距離Ｄの関係を予めマップ化しておき、前記マップに基づき冷却水温度から消炎距離Ｄを推定する。図９に冷却水温度と消炎距離Ｄの関係を示すマップのイメージ図を示す。実施の形態２によれば、内燃機関に標準的に搭載されている水温センサから検出される冷却水温度に基づき、消炎距離Ｄを推定することが可能である。消炎距離Ｄの推定精度は、実施の形態１に比べて劣るが、排ガス温度を検出するための排ガス温度センサが必要ないため、システムを低コストで構成することができる。
【００４７】
以上、この発明の実施の形態１および実施の形態２について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  内燃機関、２  シリンダ、３  ピストン、４  シリンダヘッド、５  燃焼室、６  クランク軸、７  コネクティングロッド、８  クランク角センサ、９  燃料噴射弁、１０  点火プラグ、１１  筒内圧センサ、１２  吸気ポート、１３  吸気弁、１４  スロットル弁、１５  スロットルアクチュエータ、１６  アクセルペダル、１７  アクセルポジションセンサ、１８  電磁アクチュエータ、１９  電磁アクチュエータコントローラ、２０  排気ポート、２１  排気弁、２２  排ガス温度センサ、２３  排ガス浄化触媒、８０  制御装置、８１  消炎距離推定手段、８２  吸気弁開弁期間演算手段。
【要約】
【課題】内燃機関の始動時における燃焼を悪化させることなく未燃燃料の排出を抑制して、排ガス性状を改善する。
【解決手段】内燃機関１の燃焼室５内に形成された混合気を点火燃焼させる点火プラグ１０と、吸気行程に加えて膨張行程で開弁可能であると共に、前記膨張行程での開弁リフト量を変更可能な手段を具備する吸気弁１３と、燃焼時の消炎距離を推定する消炎距離推定手段８１と、を備え、消炎距離推定手段８１で推定した消炎距離に応じて吸気弁１３の膨張行程での開弁リフト量を制御する。
【選択図】図１【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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